1 气弹簧的特点
气弹簧是一根举力(本文用F表示)近似不变的伸缩杆,在汽车,飞机,医疗器械,宇航器材,纺织机械等领域都有广泛的应用。它的内部构造是一条可在密闭筒腔内作直线运动的活塞杆。密闭筒腔内充满由高压气体和可溶解部分高压气体的液体所构成的液2气两相混合体。气弹簧的举力由高压气体推动活塞杆产生。推动力决定于高压气体的压强。高压气体在液体中的溶解量随气体压缩增加(此过程对应气弹簧工作于压缩阶段),随气体膨胀而减少(此过程对应气弹簧工作于伸长阶段),使得密闭筒腔内的高压气体的密度始终维持一个近似恒值,也就是气压近似不变(即举力近似不变)。

2 气弹簧的安装研究
表面上看,将气弹簧安装到客车舱门上非常简单,实际上安装设计所要解决的问题远非所想象的简单。气弹簧在舱门上的一般安装状态如图1所示。从此图可知,已知安装信息只有门体(几何形状,质量,重心,材料等),铰链和开度α要求,未知安装信息却多达6个(X1,X2,Y1,Y2,Z,F)。而由数学理论知道,要解出6个未知数,必须要解出由这6个未知数构成的6个方程式组成的方程组。由此可见,要求设计人员从纯理论形态入手解决气弹簧的安装几乎是不可能的。因此,从工程角度切入,深挖安装信息,简化未知数,是解决气弹簧安装设计问题的关键所在。
211 力学分析
门体,铰链(门体作开关运动的中心)和气弹簧构成一个杠杆系统。由于气弹簧对铰心的力臂远小于门重对铰心的力臂,所以这是一个费力杠杆系统。即是说,气弹簧举力必须远大于门重才可以将门体支撑起来。这是一个很重要的隐蔽条件。有了这个条件,才可以初选多大举力的气弹簧。气弹簧的举力可以确定为门重的3倍左右。当然也可以确定为门重的2倍,4倍,5倍,6倍左右。对同一个门体来说,相对于气弹簧举力取3倍门重,当气弹簧举力取2倍门重时,气弹簧力臂要增大,工作行程要增大,总长度要增加,安装空间增大;反之,当气弹簧举力取4倍以上门重时,气弹簧力臂要减小,工作行程要减小,总长度要减小,安装空间减小。这可根据实际安装空间选取气弹簧举力。笔者在实际设计中常用3倍数。
212 确定气弹簧的上下安装点
气弹簧的总长度,工作行程是在确定上下安装点过程中确定的。确定气弹簧上下安装点是整个气弹簧安装设计的最难点。下面以单轴铰链门体为例来说明"两圆法"在进行气弹簧安装设计的应用。安装示意图及有关参数如图2所示。下面的计算是以门体为规则,匀质的理想模型(重心=几何中心)为基础进行的。门体在开门过程中对铰心O的力矩不断变化(小→大→小),有两个峰值,一个是最大值,位于门体处于水平位置(α=90°)时;一个是固定值,位于门体处于开尽位置(α=最大值)时。根据物理学杠杆平衡原理可知,门体要在气弹簧的作用下自动打开和开尽以后长时间不掉下来,气弹簧在门体处于这两个特殊位置时对铰心O的瞬时力矩必须大于等于门体在这两个特殊位置时门重对铰心O的瞬时力矩。由此可以确定气弹簧所需的最大力臂(R),最小力臂(r)分别为(列式,计算过程略):
最大力臂R=G (H/2-h)2F≈G H4F,(当Hmh时)最小力臂r=G (H/2-h) cos(α-90°)2F≈G H cos(α-90°)4F,(当Hmh时)式中 G为门重,N;F为气弹簧举力,N;H为门高,mm;h为门顶到铰心的垂距,mm;α为门体最大开度,°;2为每个门使用两支气弹簧作支撑。以铰心O为圆心,以最力臂R,最小力臂r为半径分别作大小两个圆。作小圆的一条切线的延长线交大圆于A点,则A点为气弹簧的上安装点。气弹簧的下安装点B则必然在此切线下方的某一点上。AB两点的距离L为气弹簧的总长度。需要说明的是:A点必须落在门体内侧并离门面板竖直距离20mm以上(因为气弹簧的上安装点占一定的空间位置),否则若在门外,从理论上说虽然无错,但实际上没有谁把气弹簧的上安装点布置到门外的。由于满足A点落在门体内侧的小圆切线有任意多条所以气弹簧的布置也有多种倾角的安装形式,但它们在力学上是完全等效的。至此,只要找到确定气弹簧总长度的公式,就可以确定气弹簧的下安装点B了。根据厂家推荐,气弹簧总长(最, 短尺寸)=行程×2+100(气弹簧两端连接头及工艺必须最短长度,单位:mm)。当门体开度α大于等于135°时,行程可以取为最大力臂R的两倍,则上式可以写成:气弹簧总长度(最短尺寸)=4R+100。当然,此公式求出的总长度只是气弹簧的最短尺寸,气弹簧的总长度取大于这个最短尺寸的数值也是可以的(只要使气弹簧的下安装点不超出有效安装范围就行)。综上所述,由于气弹簧的长度和安装倾角有无穷多值,所以它的安装位置不是唯一的(唯一解),而是一个范围(无穷多解)。正因为如此,气弹簧的一个正确安装位置很容易被两三次的试验找到,但那是盲目的,耗费时间和精力。有了"两圆法",完全可用理论计算代替实际试验,省时,省力,根据实际安装空间选取一个最好方案,其最大优点是"结果可靠"。
213 设计应用
在实际设计中,由于门体是非匀质的理想物体,所以理论公式必须作适当的修正。即"两圆"分别取大些,一般为理论值的111～113倍,并对机构的运动轨迹进行校核。校核的作用是:(1)验证安装空间是否满足气弹簧的运动要求;(2)验证门体处于关闭位置时,气弹簧对铰心的力矩是否向门体内侧(即气弹簧是否自锁。此点非常重要,它牵涉到气弹簧安全运行问题)。
3 结束语
从初定气弹簧举力到确定气弹簧安装点不是一次就能解决问题的,它对初学者而言,往往需要经过多次循环才能得到满意结果。经过多次实践验证并熟练以后,一般能很快确定新门设计时的安装参数。"两圆法"的最大优点在于安装设计出来的气弹簧,开门力,关门力,自锁力适中,避免了某一种力不足或过大问题。